Sulfatering: Alle blybatteriers naturlige fiende

Transkript

1 Tekniske notater Sulfatering: Alle blybatteriers naturlige fiende Grunnleggende om bly- syrebatterier Et bly- syrebatteri består av en plastkasse som inneholder en eller flere celler. Hver celle består av 2 plater, den ene av svampaktiv bly (Pb) og den andre av en pasta av blyoksid (PbO), rødt blyoksid (Pb3O4), blysulfat (PbSO4) og svovelsyre (H2SO4) blandet med visse proprietære bindemidler og ekspansjonsmidler. Under produksjonsprosessen blir de fleste av disse ingrediensene omdannet til et dekke av blyoksid på tynne strenger av metallisk bly. Det svampaktige blymetallet blir den negative batteripolen, og blyoksidpastaen blir den positive polen. Cellene er fylt med fortynnet svovelsyre (H2SO4) som har ulik syrevekt, avhengig av bruk. For eksempel har typiske SLI batterier en syrevekt på 1,275 1,285. Hver celle produserer elektrisk strøm med en spenning på omtrent 2 volt per celle når den blir koplet til en last ved romtemperatur. For eksempel består et 12 V batteri av 6 celler som er koplet i serie. Mikrofotografiet nedenfor viser overflaten av en ny, fulladet svampbly- batteriplate. Mikrofotografi 1 (550x forstørrelse) - aktiv, ny svampbly- batteriplate Bly- syrebatterier genererer elektrisitet ved den doble kjemiske sulfatreaksjonen vist nedenfor. Når et batteri lades ut, reagerer blyet og blyoksidet som er de aktive stoffene på batteris plater, med svovelsyren i elektrolytten for å generere elektrisk strøm. En finfordelt amorf (ikke- krystallinsk) form av blysulfat (PbSO4) blir produsert. Pb + PbO2 + 2H2SO4 elektrisitet + 2PbSO4 + 2H2O bly + blyoksid + svovelsyre elektrisitet + blysulfat + vann Ved lading blir den amorfe blysulfaten enkelt konvertert tilbake til bly, blyoksid og svovelsyre. Dette tar batteriet tilbake til sin opprinnelige form. Dessverre finnes det ingen "perfekt maskin", og ved gjentatt bruk minsker batteriets evne til å nå full lading.

2 Sulfateringens begynnelse Etterhvert som batteriene «sirkulerer» gjennom mange ladings- og utladingssekvenser, spesielt hvis batteriene ikke blir fullt ladet, eller blir holdt i delvis utladet tilstand i lengre tid, blir den amorfe blysulfaten konvertert til en svært stabil krystallinsk form. Denne prosessen, som kalles sulfatering, er hovedgrunnen til at batterier mister kapasitet over tid, og til slutt fører til at batteriet svikter. Et ekstremt tilfelle av batteriplate- sulfatering er vist i det følgende mikrofotografiet. Legg merke til overvekten av blysulfatkrystaller som vokser seg større over tid og gjør ladingen stadig vanskeligere. Mikrofotografi 2 (550x forstørrelse) - batteriplate dekket av kompakt, hard, krystallinsk blysulfat (Legg merke til at det ikke er synlig noe aktiv svampbly) Det er mange grunner til sulfatering, inkludert syrelagdeling, tunge utladinger, stadig mangelfulle oppladinger, sjelden bruk og å la batterier (selv nye batterier) være i en utladet tilstand gjennom lengre tid. Å utsette batteriene for lengre perioder med kontinuerlig lading akselererer også sulfateringen. Kontinuerlig lading gjøres ikke ved høy nok spenning til å gi batteriene full lading. Derfor etterlates store mengder med amorf PbSO4 som blir konvertert til svært stabil krystallinsk form. Over tid, og uten unntak, vil sulfatering redusere ytelsen og levetiden til ethvert bly- syrebatteri. Symptomer på sulfatering Hvordan kan man vite om batteriet har mye sulfatering? Man vil se høyere temperaturer, både under lading (fordi det trengs høyere ladespenning for å kompensere for den høyere interne cellemotstanden) og utlading (fordi et sulfatert batteri gir en lavere spenning ut, men fordi effektkravene er de samme, så øker strømmen). Nettoresultatet er at brukstiden for det batteridrevne utstyret blir kortere, elektrolyttens spesifikke vekt minsker, kaldstartstrømmen (CCA) blir redusert, og ladingen går langsommere og er mindre effektiv. Korrosjon på batteripolene øker også fordi den økte motstanden over platene fører til høyere driftstemperatur. Dette øker vanntapet og genererer svovelsyredamp. Oppsvulmede SLI- batterier er et symptom på et svært sulfatert batteri. Dette kommer av at den krystallinske formen tar opp større plass enn den amorfe formen for blysulfat (for eksempel er vann amorft, og den ekspanderte krystallinske formen er is).

3 Virkningen av sulfatering på batteriets ytelse Krystallinsk blysulfat er ikke- ledende, og krystallene akkumuleres på platene, noe som øker den elektriske motstanden i batteriet dramatisk. Belegget av krystallinsk blysulfat reduserer også kapasiteten til batteriet, både ved permanent å redusere noe av svovelsyren, og dessuten også ved å skille det aktive materialet (bly og blyoksid) fra de stedene hvor det foregår elektrokjemisk reaksjon. Således minskes graden av strøm som kan leveres vesentlig (kaldstartstrøm, kvantifisert ved CCA test). Etter hvert som blysulfatkrystaller dekker mer av overflaten på batteriplatene, fortsetter spenningen ved åpen krets, lagringskapasiteten (amperetimer) og CCA (evnen til å levere toppstrøm) å reduseres. Den elektrokjemiske drivkraften til et batteri synker med synkende temperatur, slik at ved sterk kulde, vil energien som er tilgjengelig for å starte et kjøretøy, være vesentlig mindre enn ved romtemperatur. Dessuten øker viskositeten til smøreoljen i motoren etter hvert som temperaturen synker, slik at det trengs mer energi for å starte den. Sulfatering forverrer startproblemene i kaldt vær ved ytterligere å redusere den tilgjengelige energien i et batteri. Alle disse faktorene kombinert øker graden av batterisvikt i kaldt vær. Utjevningslading - hjelper det virkelig til å redusere sulfatering? Typiske ladespenninger kan ikke bryte ned oppbyggingen av krystallinsk blysulfat, så sulfateringen blir gradvis verre, og batteriets ytelse synker. Man prøver ofte å reversere sulfateringen med "utjevningslading", det vil si man bruker unormalt høye spenninger. Det er mulig at noe av denne krystallinske sulfaten blir omdannet til svovelsyre, men mesteparten av "fordelen" kommer antagelig fra den fysiske separasjonen av det krystallinske belegget på grunn av den sterke gassdannelsen som oppstår ved slike forhøyede spenninger. Ny plateoverflate blir eksponert, på bekostning av at man mister aktivt materiale som bare faller til bunnen av cellen. Batteritemperaturen øker dramatisk ved utjevningslading. Den høyere ladetemperaturen øker korrosjonen på det positive gitteret, gir øket væsketap ved avgassing (den elektriske omdannelsen av vann til hydrogen og oksygen kan danne knallgass og gi en eksplosjon), og gjør at det dannes svovelsyredamp som i sin tur korroderer polene. Alle disse fenomenene reduserer batterilevetiden vesentlig. Mikrofotografi 3 (550x forstørrelse) - normalt ladet batteri

4 Sulfatering påvirker mer enn bare batteriet... Dårlige batterier belaster alle delene i det elektriske systemet, reduserer livet til startere, generatorer, halogenlys, kontakter, motorviklinger, børster og elektroniske komponenter. Et batteri som er i dårlig stand og har lav ytelse, vil alltid resultere i oftere service og høyere vedlikeholdskostnader. Sulfatering påvirker også batteriladingen negativt. Øket motstand resulterer i lengre ladetider, lavere ladeeffektivitet, øket energiforbruk, ufullstendig lading og unødig høy varmedannelse (høyere batteritemperatur). Høyere ladetemperatur betyr lengre nedkjølingstid for kraftbatterier til kjøretøy, og det vil også akselerere korrosjon på det positive gitteret. Lengre lading og nedkjølingstid og redusert batterikapasitet forårsaket av sulfatering, betyr at det trengs flere kraftbatterier til kjøretøy for å holde batteridrevet utstyr i drift, enn det man ellers hadde hatt behov for hvis batteriene ikke var sulfatert. Øket vedlikehold og mindre effektive batterier fører til en av de største kostnadene; redusert produktivitet for mannskap og utstyr. Canadus batteri- kondisjonerere - løsningen på sulfateringsproblemet For å øke batteriets ytelse og forlenge levetiden betydelig, må sulfatering bli eliminert. Canadus Power Systems er verdens ledende leverandør av den mest effektive desulfateringsteknologien (HFBD). De patenterte Canadus batteri- kondisjonerere revitaliserer og forlenger levetiden til bly- syrebatterier ved både å hindre og å reversere sulfateringsprosessen. Canadus batteri- kondisjonerere koples til et batteri eller et ladesystem og sender ut en elektrisk puls med høy frekvens, høy spenning og høy strøm, og dette reverserer krystalliseringsprosessen til blysulfatet. Mange hundre tester og faktiske feltinstallasjoner har vist at HFBD teknologien til Canadus øker batteriytelsen ved å eliminere oppbyggingen av krystallinsk sulfat i eldre batterier, og å hindre den i å dannes i nye batterier. Canadus batteri- kondisjonerere hjelper til å holde batteriene som om de "var nye". Batterier som opererer ved sin høyeste spenning, absorberer spenningspulser fra generatorer og annet utstyr og leverer en ren, stabil kraft og beskytter hele det elektriske systemet.

5 Mikrofotografiet nedenfor viser en batteriplate som har blitt delvis gjenopprettet ved å bruke en Canadus batteri- kondisjonerer. Legg merke til at det er færre krystaller, og at mange av dem "hull" i seg, noe som indiker at de er i ferd med å bli omdannet til svovelsyre, bly og blyoksid. Mikrofotografi 4 (550x forstørrelse) - delvis gjenoppretting av en sterkt sulfatert plate etter bruk av Canadus batteri- kondisjonerer. (Størrelsen av sulfatkrystallene er mindre, og krystallene blir porøse etter hvert som de løses opp.) Nesten fullstendig gjenoppretting av et sulfatert batteri med bruk av Canadus batteri- kondisjonerer er vist i det følgende mikrofotografiet. Legg merke til likheten med en ny batteriplate. Mikrofotografi 5 (550X forstørrelse) - endelig gjenoppretting av platen til aktivt svampbly

6 Sammendrag... Hvis sulfatering ikke blir behandlet, vil den sakte og sikkert redusere batteriets kapasitet, øke den elektriske motstanden, redusere driftsspenningen og til slutt føre til at batteriet svikter. Nå finnes det et svar på det normale batteriets "dødsspiral". Ved på en unik måte å gi en høyfrekvent, krystallødeleggende puls med høy strøm og spenning til batteriet, gir Canadus batteri- kondisjonereren den energien som er nødvendig for å destabilisere og oppløse hard, krystallinsk blysulfat. Bly blir ført tilbake til platene som aktivt materiale, og svovelsyre blir frigjort, noe som øker syrevekten og batteriets totale ytelse. Ved å eliminere eller reversere sulfateringen med Canadus batteri- kondisjonerer, kan man spare store beløp i vedlikehold av det elektriske systemet, batteribytte og energikostnader, så vel som den kapitalen som er bundet opp i batterier. Produktiviteten til utstyret og personalet kan derfor øke betraktelig.